现代气动元件与系统

第1章气动基础知识1

1.1气动技术历史发展与应用1

1.1.1气动技术的发展历史1

1.1.2气动技术的应用1

1.2气动技术的新发展3

1.2.1精确化3

1.2.2高速化4

1.2.3小型化4

1.2.4复合化5

1.2.5集成化5

1.2.6网络化6

1.2.7气动机器人和气动机械手6

1.2.8真空技术6

1.2.9节能、环保与绿色化发展6

1.3气动技术的特点7

1.3.1气动传动的优点8

1.3.2气动传动的缺点9

1.4气动技术的一些基本概念9

1.4.1常用压力单位9

1.4.2气阻及有效断面积9

1.4.3标准状态和标准体积13

1.5气动系统的基本组成13

1.6空气的物理性质15

1.7空气的热力学性质16

1.7.1理想气体的状态方程16

1.7.2热量、功18

1.7.3热力学过程18

1.8湿空气20

1.8.1湿空气对气动系统的影响20

1.8.2绝对湿度、相对湿度、露点20

1.8.3湿空气的密度22

1.8.4压缩空气22

1.9气体在管道中的流动特性24

1.9.1不可压缩流动24

1.9.2可压缩流动27

1.9.3变截面管道中的亚音速和超音速流动30

第2章气动执行元件34

2.1气缸的分类和特点34

2.2气缸的工作原理35

2.2.1普通气缸35

2.2.2组合气缸38

2.2.3特殊气缸40

2.2.4气爪（手指气缸）52

2.2.5摆动气缸53

2.3气缸的结构和常用计算方法56

2.3.1气缸的主要结构56

2.3.2缸筒与端盖的连接方法59

2.4常用气缸的计算60

2.4.1理论输出力60

2.4.2实际输出力60

2.4.3负载率α61

2.4.4缸径D61

2.4.5气缸行程的选择及活塞杆的长度限制和挠度63

2.4.6耗气量64

2.5气缸的性能65

2.5.1气缸的技术指标65

2.5.2压力位移特性66

2.5.3气缸的缓冲计算67

2.6气缸的选用、使用注意事项68

2.6.1气缸的选择要点68

2.6.2气缸使用注意事项68

2.7气马达69

2.7.1气马达的分类和特点69

2.7.2气马达的工作原理70

2.7.3气马达的特性73

2.8气动肌肉76

第3章气动控制阀78

3.1气动控制阀的分类78

3.2压力控制阀78

3.2.1减压阀79

3.2.2顺序阀85

3.2.3溢流阀(安全阀)85

3.3流量控制阀88

3.3.1流量控制原理88

3.3.2普通节流阀88

3.3.3单向节流阀90

3.3.4排气节流阀90

3.3.5节流阀的选择与使用90

3.4方向控制阀91

3.4.1方向控制阀的分类91

3.4.2气动控制阀的结构特性94

3.4.3方向控制阀的通口数和换向机能98

3.4.4电磁换向阀100

3.4.5气控换向阀105

3.4.6机械控制或人力控制方向换向阀110

3.4.7单向型方向阀113

3.5阀岛115

3.5.1带多针接口的阀岛116

3.5.2带现场总线的阀岛116

3.5.3可编程阀岛117

3.5.4模块式阀岛117

第4章气动能源及气动辅助元件119

4.1气源装置概述119

4.1.1气源系统的组成119

4.1.2气动系统对压缩空气质量的要求120

4.1.3空气压缩机120

4.1.4气动装置的耗气量及压气机站机组容量的选择124

4.2空气净化设备125

4.2.1后冷却器125

4.2.2主路过滤器、油水分离器及空气过滤器126

4.2.3干燥器129

4.2.4自动排水器132

4.3油雾器132

4.3.1油雾器的工作原理133

4.3.2油雾器的性能指标134

4.3.3油雾器的选择和使用注意事项134

4.4储气罐135

4.5消声器136

4.6压缩空气的输送管道分类和配管方式137

4.6.1气动系统的管路分类137

4.6.2主管路配管方式138

4.6.3配管注意事项139

4.7管路、管路连接件和附件140

4.7.1气动管路140

4.7.2管路的连接方式141

4.7.3管路接头141

4.7.4软管接头142

4.7.5使用注意事项144

4.7.6压缩空气主管道尺寸的计算144

4.7.7螺纹连接及管路连接的选择和评定标准144

第5章气动转换元件及比例阀146

5.1气动位置传感器146

5.1.1背压式传感器（气障式）146

5.1.2反射式传感器147

5.1.3遮断式传感器（气栅式传感器）148

5.1.4对冲式传感器149

5.1.5负压式传感器150

5.1.6涡流式探头151

5.1.7超声波探头151

5.2气动放大器152

5.2.1膜片式气动放大器152

5.2.2滑柱式气动放大器153

5.2.3膜片滑块式放大器154

5.2.4泄气型气动放大器154

5.2.5膜片滑阀式气动放大器154

5.2.6膜片式比例放大器154

5.2.7对冲式放大器155

5.3气动测量的应用157

5.3.1流速式气动测量原理157

5.3.2流量式气动测量原理157

5.3.3压力式气动测量原理158

5.3.4滑阀叠合量（搭接量）测量原理159

5.3.5气桥法测量线径161

5.3.6位置伺服系统测量工件尺寸161

5.3.7工件尺寸分选装置162

5.4气液转换器162

5.4.1气液转换器的结构162

5.4.2气液转换器的选择使用162

5.5电气转换器164

5.6气电转换器164

5.6.1干簧管式气电转换器165

5.6.2膜片式气电转换器165

5.7压力开关166

5.7.1高低压控制器166

5.7.2可调压力开关167

5.7.3多用途压力开关168

5.8气动变送器169

5.8.1差压变送器169

5.8.2比值器171

5.8.3压力变送器172

5.9气动显示器172

5.10气动比例阀173

5.10.1气动比例阀的分类173

5.10.2比例压力阀174

5.10.3比例流量阀179

5.10.4电/气比例阀的选择181

第6章真空元件182

6.1概述182

6.1.1真空度182

6.1.2真空发生系统的特点及其应用182

6.2真空泵184

6.3真空发生器185

6.3.1普通真空发生器工作原理185

6.3.2真空发生器的结构187

6.3.3带喷射开关的真空发生器187

6.3.4组合真空发生器187

6.3.5真空发生器的性能188

6.4真空吸盘189

6.4.1真空吸盘的结构189

6.4.2真空吸盘的吸力计算190

6.5真空用气阀191

6.5.1真空电磁阀191

6.5.2减压阀191

6.5.3换向阀193

6.5.4节流阀194

6.5.5单向阀194

6.5.6真空安全阀194

6.5.7真空顺序阀194

6.6真空开关196

6.7真空过滤器197

6.8真空元件的选定197

6.8.1吸盘的选定197

6.8.2真空发生器及真空切换阀的选定198

6.9使用注意事项200

第7章逻辑代数与逻辑控制系统202

7.1概述202

7.2逻辑代数202

7.2.1基本逻辑运算及其恒等式202

7.2.2基本定律203

7.2.3形式定律203

7.2.4逻辑运算规则和对偶定理204

7.3逻辑函数、真值表和基本逻辑门204

7.3.1逻辑函数204

7.3.2真值表204

7.3.3基本逻辑门205

7.4逻辑图206

7.5逻辑代数法设计逻辑线路206

7.5.1逻辑函数的标准形式（与或式和或与式）207

7.5.2逻辑函数的公式法化简208

7.5.3用真值表求逻辑函数的最简式209

7.6卡诺图法设计逻辑线路211

7.6.1用卡诺图化简逻辑函数211

7.6.2卡诺图法在逻辑线路设计中的应用213

第8章行程程序控制系统217

8.1概述217

8.2电气气动控制系统218

8.2.1是门电路（YES）218

8.2.2或门电路（OR）218

8.2.3与门电路（AND）219

8.2.4自保持电路219

8.2.5互锁电路219

8.2.6延时电路219

8.2.7直接控制和间接控制电路220

8.2.8计数电路220

8.3行程程序回路设计的最主要矛盾——障碍信号221

8.4XD状态线图223

8.4.1XD状态线图图框的画法223

8.4.2动作状态线（D线）的画法224

8.4.3信号线（X线）的画法224

8.5障碍信号的判别及其消除225

8.5.1障碍信号的判别225

8.5.2障碍信号的消除225

8.6串级法消除障碍229

8.7单往复回路的设计231

8.7.1 XD状态线图232

8.7.2电气控制线路图235

8.7.3单控主控阀控制回路的设计方法236

8.7.4程序控制线图法240

8.8多往复回路的设计244

8.8.1多往复运动的特点和处理方法244

8.8.2多往复程序的信号动作状态线图的画法244

8.9选择行程控制回路的设计247

8.9.1自动选择程序247

8.9.2人工预选程序249

第9章气动伺服阀的一般分析252

9.1气动伺服阀的分类252

9.1.1气动滑阀252

9.1.2喷嘴挡板阀254

9.1.3射流管阀254

9.1.4开关阀255

9.2气动伺服阀压力流量特性的一般分析256

9.2.1基本假设256

9.2.2串联节流器的无量纲流量特性256

9.2.3两串联节流器流动状态的可能组合259

9.2.4气动伺服阀压力流量特性的一般方程260

9.3阀的压力特性、起始压力和压力灵敏度263

9.3.1压力特性263

9.3.2起始压力265

9.3.3压力灵敏度267

9.4阀的流量特性和流量放大系数269

9.5压力流量特性的线性化、阀系数270

9.6阀的耗气量、输出功率及效率272

9.7气缸腔内工作过程的动态分析273

9.8三通阀的分析275

9.8.1压力流量特性276

9.8.2阀系数278

9.8.3无量纲功率特性279

9.8.4气缸工作腔内动态过程的分析282

9.8.5三通阀控缸负载装置分析282

9.9电/气伺服阀284

9.9.1电/气伺服阀的分类284

9.9.2喷嘴挡板型伺服阀284

9.9.3直动式电反馈气动伺服阀285

第10章气动伺服系统288

10.1射流管式舵机的性能分析288

10.1.1系统介绍288

10.1.2系统的数学模型289

10.2脉宽调制差动缸气动伺服系统299

10.2.1脉宽调制系统简介299

10.2.2PWM线性化舵机系统301

10.2.3PWM线性化气动舵机的数学模型303

10.2.4系统载波频率的选择307

10.3双作用气缸PWM线性化系统分析309

10.3.1控制器及开关阀的数学模型310

10.3.2阀缸部分数学模型311

10.3.3起始压力的求法312

10.3.4线性化模型313

10.3.5PWM线性化的阀系数的求解315

第11章气动回路317

11.1概述317

11.2基本回路317

11.2.1供给回路317

11.2.2排出回路318

11.2.3气动换向回路319

11.2.4差动回路320

11.2.5气马达回路321

11.3功能回路321

11.3.1力控制回路321

11.3.2转矩控制回路322

11.3.3速度控制回路325

11.3.4间接控制328

11.3.5气液联动速度控制回路328

11.3.6变速回路329

11.3.7缓冲回路329

11.3.8位置（角度）控制回路331

11.4气动逻辑回路336

11.5应用回路337

11.5.1增压回路337

11.5.2冲压回路338

11.5.3往复回路339

11.5.4气缸同步动作回路341

11.5.5张力控制回路342

11.5.6平衡回路343

11.5.7节能回路344

11.5.8往复(振荡)回路345

11.5.9安全保护回路345

11.5.10真空回路351

11.5.11特殊回路353

11.6其他回路353

11.6.1气动放大器应用回路353

11.6.2自保持控制回路353

11.6.3中途停止回路353

第12章气动系统的设计355

12.1设计概述355

12.2气动断续控制系统的设计358

12.2.1气动断续控制系统的设计步骤358

12.2.2设计举例362

12.3电气气动程序回路设计371

12.3.1用直觉法（经验法）设计电气回路图371

12.3.2用串级法设计电气回路图376

参考文献385

《现代气动元件与系统》是“先进液压气动技术丛书”之一。本书侧重从工程应用出发，系统地讲述了气压传动与控制技术中各类元件的工作原理、结构特征、性能特点、使用注意事项和故障排除方法,讨论了逻辑控制系统、行程程序控制系统、气动伺服系统的分析、研究和设计方法。为了便于学习和选用，本书还给出了气压控制的一些基本回路、常用回路和电气控制电路。
本书适合从事气压传动与控制专业的科研设计、制造调试和使用维护部门的工程技术人员、相关现场工作人员、大专院校有关专业师生使用,也可作为高等院校流体传动与控制专业的参考教材。

《气动元件与系统》是先进液压气动技术丛书之一。由燕山大学教学与科研团队教师结合自身工作科研实践组织编写而成，内容系统先进实用，技术在国内外领先。
　　 本书侧重从工程应用出发，系统地叙述了气压传动与控制技术中各类元件的工作原理、结构特征、性能特点、使用注意事项和故障排除方法。讨论了逻辑控制系统、行程程序控制系统、气动伺服控制系统的分析、研究和设计方法。为了便于学习和选用，本书还给出了气压控制的一些基本回路、常用回路和电气控制电路。
　　本书适合于从事气压传动与控制专业的科研设计、制造调试和使用维护部门的工程技术人员、相关现场工作人员、大专院校有关专业师生使用。也可作为高等院校流体传动与控制专业的参考教材。